雷达液位计在球罐液位计量中的应用

于达洋，曲国瑞(.浙江石油化工有限公司,浙江 舟山 36000; .吉林鼎坤工程设计有限公司, 吉林 吉林 3000)

0 引言

随着石油化工行业的发展，雷达液位计在可靠性、安全性及精度方面得到了石化企业的认可。为了实现雷达液位计更好地应用于球罐的液位测量，本文围绕球罐雷达液位计展开了具体研究。

1 雷达液位计的工作原理

雷达液位计能够通过自身天线发射出雷达波信号，以光速运行在空间内，碰到物料表面时反射回雷达天线，通过微处理器将距离信号转化为液位信号来实现液位测量。从雷达液位计按照测量方式来看，目前有两种较为常见：

(1)脉冲式。天线周期的发射雷达波脉冲；

(2)调频连续波式。天线发射出围绕某固定频率连续变化的雷达波信号。雷达波信号下探至介质的液面并反射回雷达天线时，该雷达波信号会与这个时刻天线发出的信号混在一起。当反射回来的雷达波信号发送至液体表面并沿导波管返回时，发射的信号已经出现微小的变化。当发射出的雷达波信号与返回的雷达波信号混合时，变为一种新的低频信号，并与介质页面高度成一定的比例。

从测量原理的不同可以看出，脉冲式精度随着测量距离的增加精度逐渐降低。而调频连续波式有着更高的测量精确度，同时易于去除干扰回波，多应用于计量要求较高的大型储罐。

2 雷达液位计的天线型式

雷达液位计根据天线型式的划分，有以下类型：椎型天线、抛物面天线、喇叭型天线、长喇叭型天线，如图1所示。

图1 雷达液位计

椎型天线采用多点发射雷达波的工作方式，所以它能够发出一种叫做平面螺旋波的雷达波型，该型式天线的特点是波束窄，能量集中。在含有导波管的内浮顶或外浮顶储罐中的应用较多。天线上冷凝的液滴将由于重力作用流到椎体中心滴落，可有效减少对雷达波的干扰。

抛物面天线的雷达波，采用单点发射的工作方式，经过抛物面的反射，形成发散的雷达波，该型式天线同样具备波束窄，能量集中的特点。通常用于储存粘稠和严重凝结物料的拱顶罐液位测量，也可用于介电常数较低的物料的液位测量，测量距离远。为了防止冷凝挂料，抛物面天线采用了水滴型设计方式。

喇叭型天线同样采用单点发射雷达波的工作方式，经过喇叭面的反射，形成发散的雷达波，通常用于测量不需要导管的拱顶罐的水平测量，测量距离比抛物面天线小。由于整个喇叭天线伸入罐里，与罐内温度无较大差异，所以在天线上基本不会有冷凝的现象出现。

长喇叭型天线也是采用单点发射雷达波的工作方式，经过喇叭面的反射，形成发散的雷达波，专门用于球罐液位测量，同时必须增加配套导波管才能使用。为了方便雷达液位计的在线维护，增设了一体化球阀安装在喇叭口的顶部[1]。

3 球罐雷达液位计的安装

为了实现对球罐液位的高精度、无故障测量，雷达液位计在球罐上的正确安装极为关键。以ROSEMOUNT 5900S长喇叭型球罐专用天线为例。

3.1 导波管的安装

导波管宜选用不锈钢材质，规格与雷达喇叭口尺寸要符合，一般有三种规格的导波管：ID=100 mm；10.16 cm. SCH10；10.16 cm. SCH40。导波管垂直度必须在±0.5°范围内，法兰水平度必须在±1°范围内。导波管应开一定数量的平衡孔，孔径应当为20 mm。导波管上的所有开孔必须沿着管道单侧直线分布。导波管内壁应保证光滑，不应有残留的焊渣和未处理的毛刺。

3.2 参考针的安装

参考针可在带在线进行雷达液位计的测量精度校验。它安装在导波管一个与其他平衡孔成 90°的开孔上。参考针应当位于法兰下1 000 mm至 2 500 mm的位置，法兰以下1 200 mm处最佳。在参考针与液体最高液位之间应至少有200 mm的距离。参考针必须与导波管法兰上的螺栓孔对准，雷达液位计正确校准。球罐雷达液位计导波管、参考针安装图如图2所示。

图2 球罐雷达液位计导波管、参考针安装图

3.3 反射板的安装

反射板可采用焊接、栓接、铆接在导波管的下端。如配有参考环，则集成为一体安装，参考环用于当储罐为空时在安装阶段对液位计进行校准。

4 雷达液位计的通讯系统

雷达液位计能够提供支持HART协议的4～20 mA的模拟量信号，也可以现场总线的方式传输。雷达液位计的通讯单元作为一个网关，基于OPC服务器模式，可将雷达液位计数据从通讯单元通讯到OPC服务器，再由客户端进行信号传输[2]。

由于雷达液位计能够支持现场总线传输协议，所有雷达液位计的信息都可实现传输，所以可为大型罐区建立一套完整的液位系统。每台雷达液位计采用总线传输的方式与安装在机柜间内的通讯单元将数据上传，再从通讯单元以RS-485总线的形式传至操作系统进行通讯，通过上位机实现对液位、各点温度、平均温度、密度、压力等信号的集中监视。

5 工程应用举例

某石化公司一期成品油项目球罐组一、二中，每个罐组6台球罐，共计12台球罐。采用雷达液位计作为计量。参照设计院提供的雷达液位计技术规格书，最终选择了长喇叭型球罐专用雷达液位计(ROSEMOUNT)。为了更精准测量液位，选用了测量精度为±2 mm的雷达液位计；天线尺寸为Φ99 mm，L=750 mm；可同时输出TRL/2总线信号和4～20 mA/HART模拟信号，防爆等级Ex ia IICT4(ATEX认证)；配有罐旁仪表HUB2410，带LCD显示，防爆等级Ex de[ib] IIBT4(ATEX认证)。共计12套雷达液位计通过总线形式从罐旁仪表传输至机柜间内安装的通讯单元HUB 2460中，并最终通讯至DCS系统上位机进行集中监视。球罐组雷达液位计通讯系统组成如图3所示[3]。

图3 球罐组雷达液位计通讯系统组成

6 结语

雷达液位计在整个石化行业大型储罐的应用非常广泛，特别是在球罐的计量应用中已经发挥了精度高、稳定性可靠性高、易于维护等优点，随着石化行业的发展，在球罐液位计量中，雷达液位计必将拥有重要的地位。